深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法与相关技术

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本技术介绍了一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，包括以下步骤，获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型，根据实际工程问题确定水力裂缝扩展模拟相关参数，建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述模型开展数值计算，得到数值模拟结果，根据数值模拟结果进行压裂效果分析，本技术采用弹塑性本构方程描述深层油气藏压裂过程中的岩石非线性变形，耦合井筒内、裂缝内和基质中流体流动，实现深层油气藏水力裂缝扩展过程的精准模拟，并对压裂效果进行定量分析，为深层油气藏人工压裂的预测、评价和优化提供有效手段。

技术要求

1.一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于，包括以下步骤:

S1.获取天然裂缝分布信息，生成离散天然裂缝系统几何模型；

S2.确定所述水力裂缝扩展数值模拟的相关参数；

S3.建立深层油气藏水力裂缝扩展数学模型，基于所述深层油气藏水力裂缝扩展数学模型开展数值计

算，得到数值模拟结果；

S4.根据所述数值模拟结果进行压裂效果分析。

2.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述S1包括：

根据深层油气藏的实际地质数据和现有地质模型数据，获取在水平面上的所述天然裂缝分布信息，包括裂缝的中心点、长度、倾角信息；

根据所述天然裂缝分布信息，建立所述离散天然裂缝系统几何模型；

若地层中不发育有天然裂缝，则此步骤省略。

3.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

S2所述相关参数包括：

岩石弹性力学参数，包括杨氏模量和泊松比；

岩石塑性力学参数，包括内摩擦角、膨胀角和粘聚力；

岩石断裂力学参数，包括抗拉强度和断裂能；

岩石天然裂缝性质，包括内聚力和摩擦角；

岩石物理参数，渗透率和孔隙度；

储层参数，储层厚度、孔隙压力和水平主应力；

压裂液参数，粘度、密度和注入速率。

4.根据权利要求1所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述S3包括：

S3.1.构建岩石非线性变形模型；

S3.2.构建流体流动模型；

S3.3.构建全局嵌入式内聚区模型；

S3.4.多物理场耦合求解。

5.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述构建岩石非线性变形模型包括构建应力平衡方程、几何方程和弹塑性本构方程；

所述岩石非线性变形，采用德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则进行描述；

所述弹塑性本构方程，基于所述德鲁克-普拉格屈服准则和非相关联流动法则，根据增量塑性理论推导获得。

6.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述构建流体流动模型包括构建井筒内流体流动模型、裂缝内流体流动模型和基质内流体流动模型；所述井筒内流体流动，被简化为一维流动，其流动规律符合基尔霍夫定律；

所述裂缝内流体流动，采用离散裂缝模型模拟，其流动规律符合立方定律；

所述基质内流体流动，采用达西定律进行描述。

7.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述构建全局嵌入式内聚区模型包括：构建基质单元、零厚度内聚力单元；

在所述基质单元的边界嵌入所述零厚度内聚力单元，构建所述全局嵌入式内聚区模型，实现水力裂缝的自由扩展模拟；

天然裂缝采用所述零厚度内聚力单元表征；

所述天然裂缝的所述零厚度内聚力单元，具有与基岩不同的强度和断裂能；

所述全局嵌入式内聚区模型，采用张力-位移本构关系表征裂缝的扩展过程；

所述张力-位移本构关系的表征过程为，随着裂缝界面张开量的增大,张力达到一个峰值,然后下降直至消失,所述裂缝界面完全分离，水力裂缝扩展。

8.根据权利要求4所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述多物理场耦合求解包括岩石变形计算、流体流动计算、流固耦合计算。

9.根据权利要求8所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述岩石变形计算，采用有限单元法对岩石非线性变形模型进行数值离散，基于增量法得到离散方程，对于给定压力载荷，将其划分为多个加载步，对于每个增量加载步，采用牛顿迭代法对所述离散方程进行求解，在迭代过程中，使用返回映射法更新应力状态计算弹塑性矩阵，直至收敛；

所述流体流动计算，采用有限体积法对流体流动模型进行数值离散，所述流体流动模型包括井筒、裂缝内和基质内流体流动方程，并采用牛顿迭代法对离散后的方程进行求解。

10.根据权利要求8所述一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法，其特征在于：

所述流固耦合计算，采用皮卡德迭代法处理裂缝扩展过程中裂缝宽度变化和裂缝内流体流动的耦合问题，迭代计算流程为：

(1)设定注入速率qinject和注入时间tmax，时间初始化t＝0；

(2)假设初始时间步Δt0和裂缝内初始流体压力求解弹塑性应力场方程，计算裂缝宽度

(3)根据裂缝宽度求解压力场方程，计算井筒注入压力裂缝注入流量qk+1、裂缝

内流体压力基质流体压力

(4)根据质量守恒，更新时间步Δtk+1；

(5)根据新的压力场和求解弹塑性应力场方程，计算位移uk+1和裂缝宽度

(6)计算各未知量前后两个迭代步的相对容差，进行收敛性判断；

(7)若不满足收敛条件，更新裂缝宽度为重复步骤(3)～(6)，直至收敛；若满足收敛条件，更新时间t＝t+Δtk+1；进行下一步；

(8)裂缝扩展判别：若不满足扩展准则，返回步骤(2)，直至满足扩展准则；若满足扩展准则，裂缝扩展，更新裂缝信息，继续进行下一时步计算，直至t≥tmax，计算完成。

技术说明书

一种深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟的方法

技术领域

本技术涉及油气田开发技术领域，特别是涉及一种基于弹塑性本构方程的深层油气藏水力裂缝扩展数值模拟方法。

背景技术

近年来，我国油气资源消耗量日益增加，石油对外依存度逐年攀升。同时，伴随着中浅层油气田的长期勘探与开采，在盆地中浅层取得大的突破已越来越困难，深层油气资源的勘探与开发已成必然趋势。深层油气藏由于埋藏较深，储层相对致密，多数属于低孔低渗，需要通过人工压裂提升储层开发效果。然而，与中浅层相比，由于深层油气藏所处高地应力、高温度、高压力的“三高”环境，储层岩石力学特性由弹性向塑性转变，因此在深层油气藏压裂过程中岩石可能会出现大范围塑性变形。